[发明专利]一种负载钌单原子电解水催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负载钌单原子电解水催化材料及其制备方法，属于复合材料制备领域。所述负载钌单原子电解水催化材料由反应活性物和载体组成，所述反应活性物为钌单原子，所述载体为氮掺杂的碳纳米纤维材料。本发明通过静电纺丝法制备得到含有钌元素的纳米纤维膜，然后在NH₃和保护气氛围下多次煅烧，得到负载钌单原子电解水催化材料，制备方法简单，成本低。该电解水催化材料具有高比表面积，有利于电解液的扩散和气体的脱附，同时具有大量活性位点，在碱性条件下具有十分优异的析氢性能，析氢速率远优于商业20％Pt/C，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种负载钌单原子电解水催化材料及其制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术

近年来，因石油、煤炭、天然气等化石燃料的日益枯竭，寻找一种清洁可再生新能源迫在眉睫。氢能因其燃烧热值高、燃烧产物无污染、资源可再生等优点，被认为是21世纪最有前途的绿色能源之一，因此，氢能的开发成为新能源领域研究的热点之一。

目前制氢的主要方法有矿物燃料制氢、生物质制氢、光催化制氢和电解水制氢，其中电解水制氢因高效、产物纯净、操作简单、原料来源经济广泛等优点成为最有望实现工业制氢的途径之一。但电解水所需耗能较高，因此需要使用催化剂降低反应过点位达到高效节能的目的。此外，目前最为优异的电解水催化材料仍是Pt等贵金属催化材料，但贵金属储量稀缺、价格昂贵、且稳定性较差难以实现大规模应用。因此，研究低成本、高效率和高稳定性的电催化水解电极材料具有非常重要的经济价值和社会意义。

钌是一种硬而脆呈浅灰色的多价稀有金属元素，是铂族金属中的一员，但同时钌也是铂族金属中最便宜的一种金属，钌具有与铂相似的金属-氢键能，表现出不俗的电解水析氢活性，但目前钌多以团簇形式存在，且电解水析氢性能有待进一步提升。

静电纺丝法制备的碳纳米纤维膜具有高效稳定、比表面积大、孔隙率高、吸附性能好等优点，同时具有优异的导电性能和可直接作为自支撑电极的特点，自支撑电极是将电催化剂直接生长在导电基底表面，从而不需要有机分子连接电催化剂和导电基底的电极，自支撑电极能够保证电极良好的导电性和稳定性。因此，利用静电纺丝法制备的碳纳米纤维膜作为载体，有望制备出性能优异的电催化剂材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种负载钌单原子电解水催化材料及其制备方法，该方法通过静电纺丝法制备得到含有钌元素的纳米纤维膜，然后在NH₃和保护气氛围下多次煅烧，得到氮掺杂碳纳米纤维负载钌单原子(Ru single atoms)Ru SAs/NCNFs电催化材料。该方法成本低廉，所得Ru SAs/NCNFs电解水催化材料在碱性条件下具有十分优异的析氢活性，且稳定性良好。

本发明的第一个目的是提供一种负载钌单原子电解水催化材料，所述电解水催化材料由反应活性物和载体组成，其中反应活性物为钌单原子，载体为静电纺丝法制备的碳纳米纤维材料，所述碳纳米纤维的直径为50-500nm。

在本发明的一种实施方式中，所述反应活性物钌单原子的负载量为0.2-10wt％。

本发明的第二个目的是提供一种负载钌单原子电解水催化材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)制备含有钌元素的纳米纤维膜：取钌元素的前驱体加入到超细纤维前驱体溶液中，搅拌均匀，然后采用静电纺丝法对混合溶液进行纺丝，得到含有钌元素的纳米纤维膜；

(2)制备碳纳米纤维负载钌单原子电解水催化材料：将步骤(1)制备得到的含有钌元素的纳米纤维膜进行煅烧，先以1～20℃/min的升温速率升温到150℃～300℃，在空气氛围下保温1～3小时，保温结束后，在惰性气体氛围下，以1～20℃/min的升温速率升温至400℃～600℃，并通入氨气0.5-2小时，随后升温至700℃-1000℃并保温1-3小时进行碳化保温结束后在惰性气体的保护下降温，即制备所得Ru SAs/NCNFs电解水催化材料。